單電源IGBT驅(qū)動電路設(shè)計

 隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，IGBT的應(yīng)用日益廣泛，而IGBT應(yīng)用的關(guān)健問題是其驅(qū)動電路和保護(hù)電路的合理設(shè)計。驅(qū)動電路設(shè)計不好，常會造成IGBT工作在放大區(qū)，短時承受很大的功耗導(dǎo)致?lián)舸┦В蛘呤筶GBT關(guān)斷不迅速，與其他IGBT換流時產(chǎn)生換流失敗，導(dǎo)致直流側(cè)電源短路而嚴(yán)重?fù)p壞。
  目前，最為常用的幾種IGBT驅(qū)動模塊電路在實(shí)際應(yīng)用中都有其局限性：日本富士公司的EXB系列僅需單電源供電，但負(fù)柵壓過低，在高壓電路中會降低IGBT工作的可靠性，并且沒有短路軟關(guān)斷的封閉保護(hù)功能；三菱的M579系列在工作過程中需雙電源(+15 V，-10 V)供電，而且它和EXB系列內(nèi)部均無隔離電源，若要驅(qū)動多組IGBT，需外接隔離電源；美國IR公司的IR2110雖具有自舉浮動電源，只用一路電源即可驅(qū)動多個功率器件，但是它本身不能產(chǎn)生負(fù)偏壓，容易造成橋臂短路，不適用于直接驅(qū)動中、大功率IGBT。
  本文提出一種新型的驅(qū)動電路，它采用單電源供電，能夠產(chǎn)生負(fù)柵壓，使用脈沖變壓器隔離，無需提供單獨(dú)的浮地電源便可產(chǎn)生兩路脈寬可調(diào)的驅(qū)動脈沖，并且還具備各種保護(hù)功能。
 
  1. 工作原理
  本研究提出的IGBT驅(qū)動電路原理圖，如圖1所示。該電路采用一組15 V的穩(wěn)壓電源，脈沖變壓器初級繞組并接2只反向串聯(lián)的穩(wěn)壓二極管，其穩(wěn)壓值與正負(fù)指壓相同，防止電路中出現(xiàn)高壓尖峰。3個N溝道MOS管VQ5、VQ6、VQ7的驅(qū)動脈障Us、Ux、Uy的波形，如圖2所示。脈沖變壓器的2個次級繞組T2、T4分別驅(qū)動2組IGBT模塊。柵極申聯(lián)電阻Rg的選擇必須合適，過高則增加關(guān)斷損耗，過低則使關(guān)斷過電壓加劇。合適的Cge有利于抑制dic/dt：Cge太大，開通時間延時；Cge太小，對抑制dic/dt效果不明顯。井聯(lián)柵射間電阻Rge可使柵射電壓免受IGBT和電路寄生參數(shù)的干擾，防止器件誤導(dǎo)通。另外，IGBT的輸入阻抗呈容性，因此對柵極電荷集聚很敏感，要有一條低阻抗值的放電回路，即驅(qū)動電路與IGBT的連線要盡量短。
  通常情況下，由于變壓器不能傳遞直流分量，使用脈沖變壓器隔離的驅(qū)動電路不能實(shí)現(xiàn)任意脈寬輸出，從而導(dǎo)致其應(yīng)用的局限性；而光電耦合驅(qū)動器雙側(cè)都是有源的，其提供的正向脈沖及負(fù)向封鎖脈沖的寬度可以不受限制。本電路輸出的驅(qū)動脈沖正、負(fù)柵壓數(shù)值相等(15V)，且?guī)в兴绤^(qū)，其中死區(qū)時間及脈沖寬度均可調(diào)。

圖1  IGBT驅(qū)動電路原理圖

圖2  MOSFET驅(qū)動波形

  驅(qū)動電路的工作過程分為開通、死區(qū)和關(guān)斷3個階段：
  (1)開關(guān)模態(tài)[t0，t1]。Ux為高電平，Uy為低電平，當(dāng)Ux電壓幅偵升高到大于VQ6管子的閾值電壓UGS(th)時，VQ6被觸發(fā)導(dǎo)通，Uw電平為零。變壓器初級繞組T1的電壓極性為上高下低12 V，繞組T2兩端將產(chǎn)生相同極性的感應(yīng)電勢Uge。
  (2)開關(guān)模態(tài)[t1，t2]。Ux、Uy同為低電平，進(jìn)入死區(qū)時同，T6隨之關(guān)斷。此時，Us與Vcc的電壓差額升高到大于T5管子的閾值電壓UGS(th)時，VQ5被觸發(fā)導(dǎo)通，變壓器初級繞組L1的電流經(jīng)過D2、T5續(xù)流。二極管D2、D3避免了短路。Uw電壓等于Vcc。變壓器初級繞組T1上下端的電壓差額為零，繞組T2兩端的感應(yīng)電勢Uge同為零。
  (3)開關(guān)模態(tài)[t2，t3]。Ux為低電平，Uy為高電平，此時T6關(guān)斷、T7導(dǎo)通。繞組T3上電壓極性為上低下高15 V，與繞組T1發(fā)生感應(yīng)后產(chǎn)生相同極性的感應(yīng)電勢，Uw電壓將在Vcc的基礎(chǔ)上再疊加Vcc變成30 V。繞組T1的電壓極性為上低下高15 V，繞組T2兩端將產(chǎn)生感應(yīng)電勢Uge=-15 V。

 
圖3  MOSFET驅(qū)動脈沖產(chǎn)生電路原理圖

  3個MOSFET驅(qū)動脈沖產(chǎn)生電路原理圖，如圖3所示。該電路首先由PWM芯片產(chǎn)生兩路相差180°、帶有死區(qū)的驅(qū)動脈沖Ua、Ub然后分別經(jīng)過推挽電路將驅(qū)動信號的功率放大后產(chǎn)生Ux、Uy。同時，Ua、Ub經(jīng)過或非門后提取出死區(qū)時的電壓Uc。Uc與Vcc共同對C1進(jìn)行充放電。[t0、t1]時，Vcc通過D1、R1對C1充電，R1非常小，充電過程十分迅速，Ux等于Vcc；[t1、t2]時，Ug變?yōu)楦唠娖剑ㄟ^R1、R2放電，由于R2遠(yuǎn)大于R1，放電非常緩慢，Ux在Vcc的基礎(chǔ)上再疊加一個高電平，使Ug有足夠的驅(qū)動能力驅(qū)動VQ5。
  基于PWM芯片可以實(shí)現(xiàn)限流保護(hù)、軟啟動控制、死區(qū)控制及保護(hù)控制等功能。常用的PWM芯片(如SG3525、TLA94等)片內(nèi)都有誤差放大器，利用片內(nèi)提供的基準(zhǔn)源，由電阻分壓給誤差放大器的低端以提供比較基準(zhǔn)，誤差放大器的高端接入電流反饋，形成準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)，具有很高的穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度。
 
  2. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
  試驗(yàn)樣機(jī)相關(guān)情況如下：將市電整流成15V的直流電壓，經(jīng)由7815穩(wěn)壓后為驅(qū)動電路提供電源。工作頻率為23.8 kHz，即工作周期為42μs。VQ5、VQ6、VQ7為N溝道MOS管IRF630。
  驅(qū)動電路實(shí)測波形，如圖4所示。PWM芯片SG3525輸出的兩路脈沖Ua、Ub如圖4(a)所示；經(jīng)推挽電路后的兩路驅(qū)動脈沖Ux、Uy，如圖4(b)所示，這兩組波形的相位都互差180°。死區(qū)脈沖Uc和VQ5的門極驅(qū)動脈沖Ux，如圖4(c)所示，死區(qū)時間為2.6μs。VQ6的漏極電壓Uw和變壓器副邊T2的驅(qū)動電壓Uge，如圖4(d)所示。另一種脈寬的驅(qū)動電壓Uge，如圖4(e)所示，波形表明，脈沖變壓器能為IGBT提供良好的、可變的正向柵壓(+15 V)和反向柵壓(-15 V)。

(e)調(diào)整脈寬后的移動電壓
圖4  驅(qū)動電路實(shí)測波形
 

  3. 結(jié)束語
  本本提出了一種單電源的IGBT新型驅(qū)動電路，其主要特點(diǎn)是，采用脈沖變壓器進(jìn)行電氣隔離，僅使用一組7815作為穩(wěn)壓電源，可提供良好的正、反向柵壓，無需提供單獨(dú)的浮地電源便可產(chǎn)生兩路驅(qū)動脈沖。基于PWM芯片可以實(shí)現(xiàn)死區(qū)時同、工作頻率及脈寬可調(diào)，井帶有軟啟動、限流及穩(wěn)壓等保護(hù)功能，且電路簡單實(shí)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了這種方案的合理性和有效性。